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As superfícies de gelo têm uma fina camada de água abaixo de sua temperatura de fusão de 0 graus Celsius. Esse fenômeno de pré-fusão é importante para a patinação e o crescimento do floco de neve. Da mesma forma, o líquido geralmente cristaliza em uma fina camada de cristal em um substrato plano antes de atingir sua temperatura de congelamento, ou seja, pré-congelamento. A espessura da camada superficial geralmente aumenta e diverge conforme se aproxima da temperatura de transição de fase (como fusão e congelamento). Além da pré-fusão e pré-congelamento, raramente foi explorado se fenômeno de superfície semelhante existe como um precursor de uma transição de fase.
A equipe de Han na HKUST propõe que uma camada cristalina polimórfica pode se formar em uma superfície de cristal antes da transição de fase cristal-crista e a chama de transição pré-sólido-sólido. Se os átomos de carbono perto da superfície de um diamante pudessem se reorganizar em uma rede de grafite antes de atingir a temperatura de transição diamante-grafite, então seria uma chamada transição pré-sólido-sólido. O mecanismo é essencialmente o mesmo da pré-fusão ou pré-congelamento: a camada superficial recém-formada reduz a energia da superfície do cristal. A equipe de Han apontou que é possível quando dois cristais polimórficos podem formar uma interface coerente, ou seja, as duas redes com espaçamento e orientações de rede apropriados combinam perfeitamente na interface. Assim, a superfície do cristal polimórfico mais denso pode formar uma camada de cristal menos denso porque a interface cristal-cristal recém-formada é coerente e quase não gasta energia.
A equipe de Han confirmou ainda mais a transição pré-sólido-sólido em experimentos e simulações de computador. Eles descobriram que a superfície de um cristal coloidal de filme fino com uma rede triangular pode formar uma rede quadrada, pois sua interface é coerente. A espessura da camada superficial cresce com a temperatura em uma lei de potência semelhante à pré-fusão. Estes são ainda confirmados por sua simulação sobre átomos com diferentes interações.
A pré-fusão foi inicialmente conjeturada por Michael Faraday, o pai da eletricidade, em 1842, mas não confirmada experimentalmente de forma inequívoca até a década de 1980. O segundo tipo de fenômeno, pré-congelamento, foi proposto e observado nas décadas de 1950-70. A transição pré-sólido-sólido proposta e observada pela equipe de Han é o terceiro tipo de umectante superficial precursor da transição de fase.
Embora seja um fenômeno sob equilíbrio térmico, eles descobriram que a camada cristalina superficial também pode existir em processos de não-equilíbrio após uma mudança abrupta de temperatura, como fusão, congelamento e recozimento de policristais. A camada superficial facilita os processos, portanto, pode ter utilidade na fabricação e processamento de materiais. A transição sólido-sólido trivial que ocorre na superfície livre após cruzar o ponto de transição sólido-sólido é descartada pelo recozimento do policristal, regra de fase ou outra evidência. Além disso, eles encontraram as novas camadas superficiais duplas de líquido e rede quadrada no regime de temperatura sobreposto de pré-fusão e transição pré-sólido-sólido.
Colóides, como leite, tinta, sangue, geralmente são suspensões líquidas de pequenas partículas do tamanho de um mícron com movimentos brownianos. As trajetórias de movimento térmico das partículas podem ser rastreadas sob microscopia óptica mesmo dentro do volume 3D de cristais ou líquidos, que dificilmente podem ser obtidos em sistemas atômicos. Assim, os colóides têm sido usados como um poderoso sistema modelo para medir os processos microscópicos nas transições de fase. “Nosso trabalho mostra que os colóides também são eficazes na descoberta de novos tipos de fenômenos, mesmo para os comportamentos de fase bem conhecidos sob equilíbrio térmico”. Han disse: “Seu mecanismo é simples e, portanto, poderia ser proposto décadas atrás, mas parece ser um ponto cego na ciência dos materiais. Uma direção futura é procurar esse fenômeno em cristais atômicos ou moleculares. Ao contrário da pré-fusão geralmente existente na maioria dos cristais, transição pré-sólido-sólido só pode existir em cristais polimórficos com interface coerente de baixa energia. Sugerimos vários candidatos de cristais atômicos e moleculares com interfaces coerentes.”
Os cristais polimórficos geralmente têm propriedades diferentes, por exemplo, o grafite é macio, preto e condutor elétrico, enquanto o diamante é duro, transparente e não condutor. Um cristal com uma camada cristalina polimórfica teria propriedades de superfície ajustáveis e essa camada pode se regenerar após ser desgastada ou corroída. Assim, deve ser um material muito útil em aplicações.
O trabalho é financiado pelo Conselho de Bolsas de Pesquisa de Hong Kong e pela Fundação de Pesquisa Básica e Aplicada de Guangdong e foi publicado recentemente em Física da Natureza.
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